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2019年  第36卷  第10期

碳纤维增强聚合物复合材料车身T型接头静态性能与失效机制
许现哲, 刘通, 王文丽, 侯文彬
2019, 36(10): 2227-2234. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181114.001
摘要:
通过解析预测、有限元分析和试验手段对热塑性碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)T型接头的面外弯曲和弯扭耦合力学性能进行研究,分析了T型接头的结构失效形式与力-位移曲线的关系,并将解析模型、有限元仿真与试验结果进行对比。在弯曲刚度方面,解析模型、有限元分析结果相对试验结果的刚度误差分别为4.7%和0.5%。在弯扭耦合刚度方面,解析模型及有限元仿真的结果相对试验结果的弯扭耦合刚度误差分别为6.9%和9.6%。试验结果表明,CFRP层合板的渐进失效引起T型接头弯曲刚度的衰减,当力达到2 047 N时接头开始发生失效,失效形式包括纤维的断裂、缠绕、树脂的压碎及纤维和树脂的分层等。
对位芳香族聚酰胺纤维/环氧树脂复合材料防弹性能及其破坏机制
周庆, 何业茂, 刘婷
2019, 36(10): 2235-2246. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181218.005
摘要:
为研究对位芳香族聚酰胺纤维/环氧树脂(Epoxy resin,EP)复合材料的防弹性能及其破坏机制,采用铅芯弹侵彻复合材料靶片。以对位芳香族聚酰胺纤维作增强纤维,EP作基体树脂,纳米SiO2和聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl butyral,PVB)作增韧剂,通过热压工艺制备单向(Unidirectional,UD)结构的对位芳香族聚酰胺纤维/EP复合材料靶片。研究单片纤维面密度、UD片材结构、射击角度和树脂改性对靶片防弹性能的影响;观察弹击实验后靶片的破坏形貌,分析靶片的破坏机制。研究结果表明:对位芳香族聚酰胺纤维/EP复合材料具有优异的防弹性能,随着单层纤维面密度的增大,靶片的防弹性能呈现整体上升、局部上下波动的变化趋势;铺层方式为0°/90°/0°/90°的四层单UD片材(4UD)结构的防弹性能优于铺层方式为0°/90°的两层单UD片材(2UD)结构;角度射击时,靶片的穿透比率更大,背衬凹陷深度(Back face signature,BFS)比率更小;PVB增韧改性EP提升了靶片的防弹性能;纤维拉伸变形破坏、片材分层和基体树脂碎裂是复合材料靶片主要的吸能方式。
钛酸铜钙纳米纤维/液体硅橡胶复合介质非线性电导性能
迟庆国, 李振, 张天栋, 张昌海
2019, 36(10): 2247-2258. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181119.004
摘要:
为解决直流电缆附件内因温度梯度和材料电导率差异而引起的局部电场畸变的难题,本文通过静电纺丝方法制备了钛酸铜钙(CaCu3Ti4O12)纳米纤维,并将其分散在液体硅橡胶中合成了具有非线性电导特性的CaCu3Ti4O12纳米纤维/液体硅橡胶复合介质。采用XRD和SEM对CaCu3Ti4O12纳米纤维和CaCu3Ti4O12纳米纤维/硅橡胶复合介质进行微观结构表征,并对CaCu3Ti4O12纳米纤维/硅橡胶复合介质的介电特性、空间电荷特性及在30℃、50℃、70℃条件下电导率随电场强度变化规律和击穿强度进行测试,最后建立电缆附件模型,并对附件应力锥根部电场进行仿真。结果发现:CaCu3Ti4O12纳米纤维/硅橡胶复合材料的介电常数和电导率都随着CaCu3Ti4O12纳米纤维含量的增加而增大,当纳米纤维达到3vol%时复合介质的相对介电常数增加到3.27,非线性电导率也变化了近4个数量级,经过空间电荷测试发现,空间电荷的消散量与CaCu3Ti4O12纳米纤维含量也正相关,复合材料的直流击穿强度随纳米纤维含量的增加而降低,通过对附件进行稳态电压作用下的电场分布仿真分析发现,当CaCu3Ti4O12纳米纤维的含量为2vol%时,应力锥根部最大电场强度已经从增强绝缘中转移到电缆主绝缘中,在正、反极性雷电冲击电压作用下,3vol%含量的CaCu3Ti4O12纳米纤维/硅橡胶复合介质作为增强绝缘材料时最大电场强度均远远低于其击穿强度。以上实验结果表明,CaCu3Ti4O12纳米纤维作为填充相在较低的掺杂浓度实现了对液体硅橡胶的改性,满足了复合介质应用于电缆附件的电气绝缘性能需求。
苯基膦酸铈与十溴二苯醚阻燃玻璃纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料
赵丽萍, 蔡青, 郭正虹
2019, 36(10): 2259-2265. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190522.001
摘要:
通过熔融共混方法制备苯基膦酸铈(CeHPP)与十溴二苯醚(DBDPO)复配阻燃玻璃纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯(GF/PET)复合材料。采用热失重分析(TGA)测试研究了DBDPO-CeHPP对GF/PET复合材料热稳定性的影响。同时利用垂直燃烧(UL-94)、极限氧指数(LOI)及微型锥形量热(MCC)测试表征DBDPO-CeHPP-GF/PET复合材料的阻燃性能。使用SEM对DBDPO-CeHPP-GF/PET复合材料的残炭表面形貌进行观察分析。结果表明,DBDPO与CeHPP复配后对DBDPO-CeHPP-GF/PET体系的热性能和阻燃性能都有很大的影响。其中,GF/PET复合材料与DBDPO和CeHPP质量比为91:6:3时,DBDPO-CeHPP-GF/PET复合材料的LOI高达29.5%,可以通过UL-94 V-0级。在MCC测试中,与纯GF/PET复合材料相比,该配比的DBDPO-CeHPP-GF/PET复合材料总热释放(THR)、热释放速率峰值(PHRR)及热熔(HRC)分别下降了10.2%、13.1%和12.8%。结合残炭形貌的测试结果,对DBDPO-CeHPP-GF/PET复合材料的阻燃机制进行了适当的解释分析。
基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测
周玉敬, 任明伟, 刘刚, 胡晓兰, 范广宏, 益小苏
2019, 36(10): 2266-2274. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181114.002
摘要:
针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅(FBG)传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。
黏弹性正交各向异性空心圆柱中纵向导波的传播
李思宇, 张宇, 刘宏业, 范彦平, 吕炎, 刘增华
2019, 36(10): 2275-2285. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190103.002
摘要:
基于线性三维弹性理论和Kelvin-Voigt模型,采用勒让德正交多项式展开法推导了黏弹性正交各向异性空心圆柱中纵向导波的波动方程,数值求解了波动方程并阐述了相关方程的含义。首先计算了大径厚比下黏弹性管的相速度频散曲线和衰减曲线,并与已发表文献的结果进行了对比,验证了程序的正确性,并进一步计算了低阶纵向导波的位移分布和应力分布曲线,验证了方法的可靠性。然后利用方程的解耦特性,分别求解了不同径厚比、不同黏性常数下纵向模态和扭转模态的频散和衰减曲线,研究了径厚比和黏性常数效应对两种模态的影响。最后针对扭转模态导波,研究了材料相关黏弹性常数对其频散特性和衰减特性的影响。
基于Puck理论的复合材料层合板横向剪切失效分析
贾利勇, 廖斌斌, 于龙, 贾欲明, 李苗
2019, 36(10): 2286-2293. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190226.002
摘要:
针对复合材料层合板三维失效分析问题,建立了一种基于Puck失效准则的分析模型。针对Puck失效理论中的基体失效,分别采用遍历法和分区黄金分割法(PGSS)的一维搜索算法预测了不同应力状态下基体失效的断裂面角度,并对比分析了两种算法的计算精度和计算效率。研究表明,PGSS具有较高的搜索精度和搜索效率。在ABAQUS有限元分析平台下,编写了基于Puck失效准则的VUMAT显式用户自定义材料子程序,对复合材料层合板横向(G23)剪切性能进行了数值预测和渐进失效分析,并与试验载荷-位移曲线、DIC测得的应变场及破坏模式进行了对比。分析结果表明:当前的分析模型能较好地预测复合材料层合板G23剪切试验的力学响应和破坏模式。
碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板干涉连接插钉轴向力建模与分析
宋丹龙, 宋旭峰, 白洋洋, 张向阳, 崔亚辉, 元振毅
2019, 36(10): 2294-2301. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190104.003
摘要:
碳纤维增强环氧树脂复合材料(CFRP)构件干涉配合连接的插钉轴向力过大会引起层合板弯曲和分层,严重影响产品的安全性。针对CFRP层合板的高锁螺栓干涉连接过程,分析了其制孔、插钉及拧紧等装配连接工艺,将其干涉插钉过程划分为4个阶段,并对各个阶段进行了详细的力学行为分析;对螺栓杆处和倒角处的挤压力和摩擦力分别进行力学建模,并结合各作用力的边界条件与阶段划分,构建了干涉插钉全过程的轴向力模型;通过ABAQUS有限元模拟了CFRP层合板干涉插钉工艺过程,并开展了干涉螺栓安装实验,对比分析了层合板孔周径向挤压应力分布和插钉轴向力变化规律,解析结果与模拟和实验结果吻合较好,为后续CFRP层合板的插钉分层损伤和工艺优化研究奠定基础。
一种高颗粒填充率丁羟推进剂二维细观模型生成方法
张镇国, 侯晓, 郜婕, 翁琳
2019, 36(10): 2302-2307. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190221.001
摘要:
为了从机制上认识推进剂的宏观力学性能和试验现象,对推进剂开展细观力学研究十分必要,而代表体积单元(RVE)则是细观力学研究中的重要部分。在随机序列吸附(RSA)方法的基础上,提出将投递区域离散为背景网格,再进行二次随机投递,可以生成80vol%颗粒含量的细观模型,模型生成效率相较于传统RSA方法有所提高。采用Python语言编程,利用ABAQUS的二次开发接口,实现了推进剂RVE模型的快捷生成,并加载周期性边界条件。采用模型生成实例说明了本文方法的有效性,为开展推进剂的细观分析提供了参考依据。
碳纤维增强环氧树脂复合材料与铝板胶螺混合连接接头失效仿真
刘志明, 许昶
2019, 36(10): 2308-2315. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181217.002
摘要:
基于商用有限元软件ABAQUS,建立了碳纤维增强环氧树脂复合材料(CFRP)层合板和铝板双搭接胶螺混合连接接头强度预测模型,并进行了仿真分析,同时与试验结果进行对比,探究了此类混合接头在拉伸载荷工况下的失效形式和承载能力。结果表明,拉伸加载过程中,螺栓通过分担部分载荷加强了胶接连接。混合接头的失效形式先表现为胶层的断裂失效,最终表现为层合板孔边挤压失效。利用模型预测的接头承载能力与试验结果的误差为9.7%,具有较好的吻合性。该分析方法能够为复合材料-金属胶螺混合连接的分析和设计提供一定的参考。
形状记忆合金-玻璃纤维/环氧树脂复合材料在振动边界条件下的低速冲击数值模拟
孔方昀, 常孟周, 王振清, 孙敏
2019, 36(10): 2316-2329. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181119.006
摘要:
采用有限元方法(FEM)研究了振动边界条件对形状记忆合金(SMA)-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的抗低速冲击性能的影响。在数值模拟过程中,将改进的三维Hashin失效准则和Brinson模型分别应用于玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板和SMA,以表征其本构关系。首先通过与固定边界条件下的SMA-玻璃纤维/环氧树脂复合材料板低速冲击实验进行比较,验证了数值模拟过程中所用模型及材料参数的准确性。其次,在模拟过程中,应用了包含不同振幅的一系列振动边界条件,对其进行模拟,揭示了振动边界条件对其抗低速冲击性能的影响。数值模拟结果表明,在大振幅条件下,无SMA复合材料的抗冲击性能比小振幅条件下弱;在相同振动边界条件下,SMA-玻璃纤维/环氧树脂复合材料与无SMA复合材料相比,其抗低速冲击性能提高。
电子封装用环氧树脂固化温度与应变的三维有限元模拟
康峻铭, 孙亮亮, 王继辉, 李小阳, 杨鹏
2019, 36(10): 2330-2340. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181116.001
摘要:
环氧树脂因具有许多优异的性能而被广泛用作电子封装材料,然而环氧树脂在固化过程中产生的内应力会对封装产品的性能产生严重影响。针对一种用于电子封装的环氧树脂,通过实验分析了其固化动力学、密度、导热系数、玻璃化转变温度、弹性模量、化学收缩应变和热应变等性能参数,建立了固化过程中的数学模型。通过ABAQUS建立三维有限元模型,采用顺序耦合分析方式,分步进行传热分析和应力应变分析,模拟环氧树脂固化过程中的温度场、固化度场和应力应变场。最后采用光纤布拉格光栅(FBG)监测环氧树脂在固化过程中内部的温度和应变变化,并与模拟进行对比,结果表明本文所建立的有限元模型具有较高的可靠性。
搅拌摩擦加工制备羟基磷灰石增强镁复合材料的微观组织和力学性能
张璐, 张大童, 曹耿华
2019, 36(10): 2341-2347. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181109.001
摘要:
通过搅拌摩擦加工(Friction stir processing,FSP)制备了羟基磷灰石增强镁(HA/WE43)复合材料,研究了主轴转速对HA分布的影响及FSP加工前后材料微观组织和力学性能的变化。使用光学显微镜、SEM、TEM对该复合材料的显微组织进行了表征,同时对其显微硬度和室温拉伸性能进行了测试。结果表明:制得的HA/WE43复合材料晶粒尺寸相比于母材发生了显著的细化,加工过程中,HA颗粒的存在增强了FSP的晶粒细化作用;主轴转速较低时,HA/WE43复合材料中的HA团聚较严重,随着主轴转速的增加,HA的分布更加均匀,团聚现象得到改善;尽管局部团聚的HA颗粒会成为复合材料在拉伸变形过程中的裂纹源,但HA/WE43复合材料的极限抗拉强度、屈服强度和伸长率相对于母材仍有明显提高。
多粒径TiB2颗粒增强铜基复合材料的制备与载流摩擦磨损性能
张胜利, 国秀花, 宋克兴, 梁淑华, 周延军
2019, 36(10): 2348-2356. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190226.001
摘要:
采用粉末冶金工艺分别制备了单一粒径TiB2颗粒和多粒径TiB2颗粒增强铜基复合材料,对比研究了非载流和载流条件下多粒径(2 μm+50 μm)TiB2/Cu复合材料的摩擦磨损行为。微观组织观察表明:不同粒径的TiB2颗粒在Cu基体中分布均匀。与单一粒径TiB2/Cu复合材料相比,多粒径TiB2/Cu复合材料具有更高的相对密度、硬度和导电率。摩擦磨损实验结果表明:多粒径TiB2/Cu复合材料抗摩擦磨损性能明显高于单一粒径TiB2/Cu复合材料,当2 μm与50 μmTiB2颗粒配比为1:2时,多粒径TiB2/Cu复合材料的抗摩擦磨损性能最佳。相对于2 μm单一粒径TiB2/Cu复合材料,电流为0 A时,(2 μm+50 μm)TiB2/Cu复合材料的摩擦系数和磨损率分别降低了17.3%和62.5%;电流为25 A时,(2 μm+50 μm)TiB2/Cu复合材料的摩擦系数和磨损率分别降低了6%和45.8%,同时载流效率和载流稳定性得到明显提高,磨损表面更加平整。磨损机制分析表明:多粒径TiB2颗粒合理配比有利于提高复合材料载流质量,同时摩擦过程中大粒径的TiB2颗粒起到支撑作用,小粒径的TiB2颗粒弥散强化Cu基体,二者的协同作用使TiB2/Cu复合材料具有更好的抗载流摩擦磨损性能。
添加铜网对片层石墨/Al复合材料热物理性能的影响
曾凡坤, 宁越洋, 马洪兵, 薛晨, 江南, 童幸生
2019, 36(10): 2357-2363. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181218.004
摘要:
使用盐浴法对片层石墨(GFs)进行表面镀Si处理,采用真空热压法制备片层石墨/Al复合材料(Si-GFs/Al)。向Si-GFs/Al复合材料中添加10vol%的铜网,研究了铜网对Si-GFs/Al复合材料热导率和力学性能的影响。使用SEM、聚焦离子束(FIB)和TEM对Si-GFs/Al复合材料的微观结构和微观界面进行表征,并分析了复合材料的断裂机制。结果表明,添加铜网使Si-GFs/Al复合材料内部出现了高聚集定向GFs带,形成高导热通道。当GFs体积分数为30vol%~40vol%时,Si-GFs/Al复合材料的热导率提升了约20%,弯曲强度提升了40%以上。当GFs体积分数为40vol%时,Si-GFs/Al复合材料热导率和弯曲强度同时达到一个优值,分别为512 W/(mK)和127 MPa。
聚吡咯/聚多巴胺的电化学合成及其对铝合金耐蚀性的影响
聂铭, 黄丰, 王珍高, 付如民, 宁成云
2019, 36(10): 2364-2370. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181128.001
摘要:
为了提高铝合金有机涂层的耐蚀性,通过电化学方法在7075铝合金表面制备了海岛结构的聚吡咯(PPy)/聚多巴胺(PDA)复合涂层,利用FE-SEM、原子力显微镜、FTIR分析了PPy/PDA涂层的表面形貌、表面粗糙度和化学成分,并通过交流阻抗图谱分析了涂层的阻抗特性,通过极化曲线分析了具有PPy/PDA涂层的铝合金的极化电压和极化电流,研究其耐蚀特性。结果显示,通过一步法电化学聚合方法,吡咯和多巴胺在铝合金表面同时发生电化学聚合,生成PPy/PDA复合涂层,PPy/PDA涂层具有海岛结构,纯PPy和PPy/PDA涂层的粗糙度分别是(74.582±7.227)nm和(73.740±7.811)nm。交流阻抗和极化曲线说明PPy/PDA涂层相比于纯PPy涂层具有更大的阻抗力,PPy/PDA涂层的腐蚀电流和腐蚀电压分别是4.1825×10-6 Acm-2和-0.6919 V,相对于纯PPy(腐蚀电流和腐蚀电压分别是7.618×10-6 Acm-2和-0.7403 V)具有更好的防腐特性。
反应熔渗制备ZrC-SiC/(C/C)复合材料组织结构及耐烧蚀性能
孙泽旭, 周哲, 张贝, 易君, 易茂中, 冉丽萍
2019, 36(10): 2371-2379. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190103.001
摘要:
采用反应熔渗法(RMI)制备出密度为3.288 g/cm3的ZrC-SiC/(C/C)复合材料,采用SEM-EDS、XRD和TEM等分析手段研究了ZrC-SiC/(C/C)复合材料的微观组织结构。结果表明:陶瓷相填充充分且均匀分布在C/C复合材料基体中,其内部组织主要由ZrC、SiC、热解炭(PyC)和碳纤维(CF)组成。熔渗剂反应充分,复合材料内部未检测到残余未反应金属Zr、Si。采用氧乙炔烧蚀设备检测ZrC-SiC/(C/C)复合材料在2 500℃下,烧蚀时间分别为30 s、60 s和90 s的烧蚀性能,其质量烧蚀率分别为5.667 mg/s、2.907 mg/s和3.030 mg/s,线烧蚀率分别为1.001 μm/s、4.662 μm/s和4.450 μm/s。试验结果表明,在高温烧蚀过程中,ZrC-SiC/(C/C)复合材料烧蚀中心区陶瓷相逐渐氧化生成ZrO2和SiO2;生成的ZrO2和SiO2混合物保护并填充复合材料烧蚀孔隙,阻止氧化反应向材料内部进行,有效提高了材料的烧蚀性能。
平纹编织SiC/SiC复合材料多尺度建模及强度预测
惠新育, 许英杰, 张卫红, 何宗倍
2019, 36(10): 2380-2388. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181112.001
摘要:
连续SiC纤维增强SiC基体复合材料(SiC/SiC)具有优异的高温力学性能、辐照稳定性及较低的氚渗透率,在核工程结构领域具有良好的应用前景,掌握其承载状态下的损伤演化和强度性能,对SiC/SiC复合材料的应用具有重要指导意义。本文基于平纹编织SiC/SiC复合材料的制备过程和组分材料分布的多尺度特性,考虑复合材料微观结构的局部近似周期性,建立了纤维丝尺度和纤维束尺度单胞模型。使用有限元分析软件对纤维丝尺度模型的弹性性能和强度性能进行预测,将这些性能参数代入纤维束尺度模型,引入Tsai-Wu失效准则,根据材料的不同失效模式并对失效单元进行方向性刚度折减,模拟了平纹编织SiC/SiC复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。数值模拟曲线与试验曲线吻合较好,实现了对平纹编织SiC/SiC复合材料强度的有效预测。
基于径向基函数神经网络优化制备复合改性钠基蒙脱土/橡胶复合材料及其补强-阻燃性能
张浩, 范威威, 徐远迪
2019, 36(10): 2389-2397. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181119.005
摘要:
以钠基蒙脱土作为研究对象,以十六烷基三甲基溴化铵与去离子水的混合液、硅烷偶联剂KH550与无水乙醇的混合液作为改性剂,制备复合改性钠基蒙脱土,并将复合改性钠基蒙脱土代替部分炭黑,与促进剂、硫磺、ZnO、硬脂酸、橡胶进行复合,制备复合改性钠基蒙脱土/橡胶复合材料。利用径向基函数(RBF)神经网络模型优化复合改性钠基蒙脱土/橡胶复合材料的制备工艺参数,并且对复合改性钠基蒙脱土和复合改性钠基蒙脱土/橡胶复合材料进行表征与测试。结果表明,当扩展系数为0.50~0.65时,所建立复合改性钠基蒙脱土/橡胶复合材料力学性能和阻燃性能的RBF神经网络模型具有最佳的逼近效果。当去离子水用量为1 074 g、十六烷基三甲基溴化铵用量为13.7 g、无水乙醇用量为14.8 g、硅烷偶联剂KH550用量为0.32 g、搅拌速度为2 890 r/min时,复合改性钠基蒙脱土/橡胶复合材料具有良好的力学性能和补强性能,即拉伸强度19.1 MPa、撕裂强度43.5 kN/m和极限氧指数32.83%。
三角帆蚌贝壳的微结构及尺寸变化特征
邵浩彬, 朱军, 周琦, 雷济旭, 徐俊强, 王克鸿
2019, 36(10): 2398-2406. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190301.001
摘要:
天然生物经历了亿万年的不断进化,已经形成了近乎完美的结构。天然生物材料结构的研究是仿生研究的基础,本文以三角帆蚌贝壳为研究对象,利用SEM和AFM,描述了三角帆蚌贝壳的微结构特征,包括其角质层、棱柱层、珍珠层及界面和晶带的形貌,揭示文石晶片及各层间的尺寸变化规律。研究表明:角质层内部分布大量裂纹,珍珠层与棱柱层无明显过渡界面,珍珠层内发现条状晶带结构缺陷;贝壳壳体和珍珠层厚度随0生长线向外呈现先增大后减小的变化趋势,且单层文石晶片的厚度不均,最厚处可达最薄处的2倍多。对三角帆蚌贝壳的结构进行了深入研究,为其优异的力学性能提供了理论依据,为未来的仿生结构设计提供了新思路和新想法。
高分子固化剂-玄武岩纤维/砂土复合材料强度特性
王颖, 刘瑾, 白玉霞, 李鼎, 李思远, 刘伟汉
2019, 36(10): 2407-2417. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181108.007
摘要:
通过单轴抗压、快速剪切和抗拉试验,对高分子固化剂(PCA)-玄武岩纤维/砂土复合材料(Sand mixed with polymers and basalt fiber,PBS)的强度特性进行较深入的研究,对比分析了高分子固化剂含量、玄武岩纤维含量(与砂的质量比)和砂土密度对复合砂土材料强度的影响,并结合试验结果和SEM分析了PCA-BF/砂土的强度增强机制。试验结果表明:PCA-BF/砂土的抗压强度、抗剪强度和抗拉强度与纯砂土相比均有明显增强,且残余抗压强度随高分子固化剂含量增大而不断提高;随着高分子固化剂含量和玄武岩纤维含量增加,PCA-BF/砂土强度先快速增大,当PCA和纤维含量分别达到3%和0.6%时增幅变缓;随砂土密度的增大,PCA-BF/砂土的抗压强度和抗剪强度持续增大,而抗拉强度先减小后增大再减小,在砂土密度为1.55 g/cm3时达到最大抗拉强度。高分子固化剂能够在砂粒之间形成空间网络,使分散的砂土颗粒连接成为一体,且纤维与土体混合后能够起到拉筋作用,从而共同作用有效改善了复合砂土材料的强度特性。
生长温度对InAs/GaAs横向异质结构纳米线形貌及晶体结构的影响
刘妍, 彭艳, 郭经纬, 徐朝鹏, 喇东升
2019, 36(10): 2418-2425. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190118.002
摘要:
低维半导体材料因其超常的物理性能而受到了广泛关注和研究。本文采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术,利用金作催化剂制备了InAs/GaAs横向异质结构纳米线,并讨论了不同生长温度情况下InAs横向异质材料对纳米线形貌及晶体结构的影响。提高InAs材料的生长温度,可以有效地抑制纳米线的纵向生长,使其实现横向异质结构的生长。在异质结构纳米线横向生长时发生了侧面晶面旋转的现象,这是纳米线表面重构后侧面趋向能量更低的晶面的结果。本文的研究工作为推动微纳技术的发展提供了相应的理论基础和科学依据。
钢筋锈蚀对全珊瑚海水钢筋/混凝土柱大偏心受压性能的影响
达波, 余红发, 麻海燕, 朱海威, 巩位, 吴彰钰
2019, 36(10): 2426-2438. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181228.001
摘要:
通过对不同混凝土强度等级、不同种类钢筋的全珊瑚海水钢筋/混凝土柱(CA/CC)进行大偏心受压性能试验,研究了CA/CC的破坏形态、变形和承载力,建立了荷载-位移、荷载-应变等关系,探讨了CA/CC大偏心受压极限承载力(Nu)的计算模型。结果表明:CA/CC的受力破坏机制和形态与普通骨料钢筋/混凝土柱(OA/CC)基本相似。随着混凝土强度等级的提高,CA/CC纵向受拉钢筋应变开始突变所对应的荷载逐渐增大。在加载过程中,有机新涂层钢筋与珊瑚/混凝土(CA/C)之间产生较大的滑移,使在相同混凝土强度下,普钢钢筋CA/CC的Nu比有机新涂层钢筋CA/CC的Nu大约高7.1%~20.8%。建议在CA/C结构中采用有机新涂层钢筋,能有效的抑制钢筋发生锈蚀,从而延长CA/C结构的有效服役寿命。综合考虑钢筋锈蚀和涂层钢筋滑移的影响,提出了适用于满足高强、高耐久性要求的CA/CC大偏心受压Nu计算模型。
纤维对混凝土的损伤、裂缝曲折度及裂缝恢复的影响
丁一宁, 李林泽, 曾伟
2019, 36(10): 2439-2447. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181218.003
摘要:
通过混凝土圆饼劈裂试验预制准确宽度的裂缝,研究了钢纤维(SF)、聚丙烯(PP)长纤维对荷载作用下混凝土的损伤、裂缝曲折度及裂缝恢复率的影响。使用数码显微镜(Supereyes)和Image Pro Plus图像处理软件对不同位置裂缝实际宽度进行测量。通过测量劈拉作用下穿过圆饼试件的超声波速,分析、对比了各组试件超声波速与裂缝宽度、损伤变量因子之间的关系。研究表明:纤维的桥接作用使裂缝扩展得以控制,同时提高了卸载时的裂缝恢复程度和裂缝曲折度。SF掺量为55 kg/m3的混凝土试件比SF掺量为25 kg/m3的混凝土试件,曲折度增加26.9%,混杂使用PP长纤维和SF对提高混凝土裂缝表面曲折度有显著的正混杂效应。桥接于裂缝处的SF有利于超声波的传播,减缓超声波速损失。超声波速随着裂缝宽度的增加而逐渐降低、且与裂缝之间存在较好的指数关系,可用于表征混凝土内部裂缝的扩展。
C/C热防护结构弹性波仿真分析方法及损伤对弹性波的影响
袁慎芳, 刘凌峰, 邱雷, 陈健, 刘安琪
2019, 36(10): 2448-2457. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181210.001
摘要:
热防护结构(Thermal protection structures,TPS)作为可重复使用航天飞行器的关键结构,其安全性和可维护性至关重要。已有的针对可重复使用航天飞行器TPS的结构健康监测的研究不多,特别是C/C、C/SiC等复合材料制造的TPS。针对可重复使用航天飞行器C/C TPS,研究其基于主动弹性波的结构健康监测方法。提出了一种TPS弹性波数值仿真方法,在验证方法有效性的基础上,开展了面向C/C TPS损伤监测的弹性波传播特性研究,从信号时域特征、弹性波传播波场、损伤散射信号、损伤散射信号波场及损伤因子5个方面全面分析了弹性波在C/C TPS中的传播特性及损伤带来的影响。结果表明,当分层损伤边长大于25 mm后,损伤因子剧烈变化,因此采用基于弹性波的结构健康监测方法可以很好地监测C/C TPS内部分层损伤及损伤的扩展情况。
纳米碳纤维增强混凝土抗冻性能试验
孟博旭, 许金余, 彭光
2019, 36(10): 2458-2468. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190510.002
摘要:
对六种不同纳米碳纤维掺量的72个纳米碳纤维/混凝土试件进行了慢冻融循环试验,通过测量纳米碳纤维/混凝土经不同冻融循环次数作用后的抗剥落能力、质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度损失率,研究了纳米碳纤维掺量对纳米碳纤维/混凝土抗冻性能的影响。另外进行了纳米碳纤维/混凝土的FE-SEM试验和压汞试验,分析了纳米碳纤维对纳米碳纤维/混凝土抗冻性能的微观改性机制。结果表明:纳米碳纤维通过改善混凝土的微观形貌,细化其孔隙结构,提高其整体性和密实度,显著改善了混凝土的抗冻性能;纳米碳纤维掺量为3vol%时,纳米碳纤维/混凝土的抗冻性能最佳。同普通混凝土相比,300次冻融循环后,纳米碳纤维/混凝土的相对动弹性模量提高了33.2%,抗剥落能力显著增强;相同冻融次数下,随着纳米碳纤维掺量的增加,纳米碳纤维/混凝土相对动弹性模量和抗压强度损失率均先增大后减小,质量损失率先减小后增大。但纳米碳纤维掺量最大为5vol%时,纳米碳纤维/混凝土的抗冻性能仍优于普通混凝土;冻融循环次数越多,纳米碳纤维对混凝土抗冻性能的改善作用越显著。
黄泛区粉土-玻璃纤维增强聚合物复合材料布界面摩擦特性试验
张建伟, 余杭, 王仕卿, 李荣翔, 韩一, 黄小山
2019, 36(10): 2469-2477. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181129.001
摘要:
玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)强度高、耐热性好、抗碱性腐蚀能力较强,目前已广泛的应用于土木工程领域中。为了研究黄泛区粉土和GFRP布之间的界面摩擦特性,利用TZY-1型土工合成材料综合测定仪开展了直剪摩擦试验研究,分析了含水率、压实度和法向应力对界面摩擦特性的影响。结果表明,黄泛区粉土和GFRP布的界面摩擦强度随着压实度的增大而增大;界面摩擦强度在土体的含水率最优时达到最大,超过最优含水率后会下降;界面抗剪力随着法向应力的增大而增大,摩擦系数随着法向应力的增大而降低。
纤维增强聚合物复合材料-钢复合圆管约束混凝土轴压性能预测模型
张依睿, 魏洋, 柏佳文, 端茂军, 王立彬
2019, 36(10): 2478-2485. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181218.001
摘要:
纤维增强聚合物复合材料(FRP)-钢复合圆管约束混凝土由于具有很好的综合性能,近年来得到了广泛的研究,尚缺乏完整的应力-应变关系全曲线计算模型。本文在综合作者现有研究成果的基础上,广泛收集了96个FRP-钢复合圆管约束混凝土柱的轴心受压试验结果,系统分析了试件参数的影响规律,提出了FRP-钢复合圆管约束混凝土的应力-应变关系曲线的完整计算模型,包括峰值应力、峰值应变、极限应力和极限应变的计算方法,并建议了应力-应变关系全曲线预测模型,模型较好地预测了FRP-钢复合圆管约束混凝土的应力-应变关系曲线的特征,预测结果与试验结果吻合较好。建议模型具有较好的通用性和准确性。